CN107509048A - 一种高寄生光敏感度像素单元及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高寄生光敏感度像素单元，包括设于上层芯片上的光电信号产生单元和设于下层芯片上的信号复位保持单元、信号输出单元，通过将光电信号产生单元与像素结构的输出级电路隔开，以进一步降低像素结构及光照对最终输出信号的影响，从而可使得像素电路的寄生光敏感度性能更加优越；还可通过将像素光电信号产生单元产生的电信号存储在信号复位保持单元的电容上，使信号输出单元的信号放大MOS管栅极输入电压与光电信号产生单元通过电容隔开，以减小光电信号产生单元产生的电荷信号对放大MOS管栅极输入信号的影响。

Description

一种高寄生光敏感度像素单元及其驱动方法

技术领域

本发明涉及图像传感器技术领域，更具体地，涉及一种高寄生光敏感度像素单元及其驱动方法。

背景技术

随着图像传感器技术的不断发展，CMOS图像传感器由于具有高集成度、低功耗等优点，在电子、监控、导航、交通等领域应用越来越广泛。但随着CMOS图像传感器技术的不断发展，对CMOS图像传感器的性能要求也越来越高。

高寄生光敏感度是衡量CMOS图像传感器性能的一个重要指标，光敏感度越高，CMOS图像传感器性能越好。

然而，光通常会在金属界面产生一定的载流子，或者，光电器件产生的电荷会通过衬底传输到其它电路，这些都将导致图像信号发生变化，使得电路的光敏感度降低。

此外，虽然通常可通过上层金属隔离来挡住光线对其它电路的影响，但由于存在折射和衬底的影响，因而上述这种光对电路造成的影响仍无法被完全消除。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种高寄生光敏感度像素单元及其驱动方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种高寄生光敏感度像素单元，包括：

光电信号产生单元，设于上层芯片上，用于将光信号转换成电信号；

信号复位保持单元，设于下层芯片上，用于储存和传输光电信号产生单元产生的电信号；

信号输出单元，设于下层芯片上，用于输出信号复位保持单元传输的电信号；

其中，上层芯片与下层芯片采用3D堆叠方式相连接，通过光电信号产生单元将由上层芯片上方入射的光线隔离，以防止光线照射到下层芯片的信号复位保持单元和信号输出单元上。

优选地，所述光电信号产生单元包括一个光电二极管和一个光电开关MOS管；其中，所述光电二极管用于将入射的光信号转化为电信号，光电二极管的阳极与地相连，光电二极管的阴极与光电开关MOS管的源极相连，所述光电开关MOS管用于控制电信号的传输，光电开关MOS管的栅极与光电传输控制信号相连，光电开关MOS管的漏极作为光电信号产生单元的输出端与信号输出单元的输入端相连。

优选地，所述信号复位保持单元包括一个电容，一个电容开关MOS管，一个复位MOS管；其中，所述电容用于通过其产生的电荷感应，传输光电信号产生单元转化的电信号，电容的第一端作为信号复位保持单元的输入端同时与光电开关MOS管的漏极以及电容开关MOS管的源极相连，电容的第二端作为信号复位保持单元的输出端同时与电容开关MOS管的漏极、复位MOS管的源极以及信号输出单元的输入端相连，电容开关MOS管的栅极与电容开关控制信号相连，复位MOS管的漏极与电源相连，复位MOS管的栅极与复位信号相连。

优选地，所述信号输出单元包括一个信号放大MOS管和一个信号选择MOS管；其中，所述信号放大MOS管用于将其栅极接收的电信号放大输出，信号放大MOS管的栅极作为信号输出单元的输入端同时与电容的第二端、电容开关MOS管的漏极以及复位MOS管的源极相连，信号放大MOS管的漏极与电源相连，信号放大MOS管的源极与信号选择MOS管的源极相连，所述信号选择MOS管用于控制像素信号的输出，信号选择MOS管的漏极与像素信号输出端相连，信号选择MOS管的栅极与选择信号相连。

优选地，位于上层的所述光电信号产生单元与位于下层的所述信号复位保持单元之间通过导电过孔相连接。

优选地，所述光电开关MOS管的漏极与电容的第一端之间通过分设于上层芯片和下层芯片的导电过孔相连接。

一种上述的高寄生光敏感度像素单元的驱动方法，包括以下步骤：

步骤S01：打开光电开关MOS管、电容开关MOS管和复位MOS管，关断信号放大MOS管、信号选择MOS管，光电二极管复位，电容第一端、第二端两端复位；

步骤S02：关断光电开关MOS管、电容开关MOS管，光电二极管开始曝光并积累电荷，电容两端继续保持复位状态；

步骤S03：关断电容开关MOS管和复位MOS管，打开信号选择MOS管，电容两端无电荷充放电，复位信号传输至像素信号输出端，完成对复位信号的读取；

步骤S04：保持电容开关MOS管和复位MOS管关断，打开光电开关MOS管，光电二极管转化的电荷传输至与光电开关MOS管相连的电容第一端，电容第二端仍为复位信号；

步骤S05：关断复位MOS管，打开电容开关MOS管，利用电容的电荷耦合作用，使电容的第二端通过电压感应感应出同样的电荷，最终电容的第二端电压与电容的第一端电压相等，实现光电信号的传输，并通过信号放大MOS管和信号选择MOS管传输至像素信号输出端，完成对像素光电信号的读取；

步骤S06：关断光电开关MOS管，电容两端信号保持不变，关断信号选择MOS管，像素信号输出端信号不变；

步骤S07：打开电容开关MOS管、复位MOS管和光电开关MOS管，进行下一帧复位。

从上述技术方案可以看出，本发明通过将像素光电信号产生单元产生的电信号存储在信号复位保持单元的电容上，使信号输出单元的信号放大MOS管栅极输入电压与光电信号产生单元通过电容隔开，以减小光电信号产生单元产生的电荷信号对放大MOS管栅极输入信号的影响。同时，通过将光电信号产生单元与信号复位保持单元、信号输出单元分别设置在上下两层芯片中，使像素单元的电路结构采用3D分布的形式，将光电信号产生单元与像素结构的输出级电路进一步隔开，以进一步降低像素结构及光照对最终输出信号的影响，从而可使得像素电路的寄生光敏感度性能更加优越。

附图说明

图1是本发明一较佳实施例的一种高寄生光敏感度像素单元的3D结构示意图；

图2是本发明一较佳实施例的一种高寄生光敏感度像素单元的电路结构示意图；

图3是本发明一较佳实施例的一种高寄生光敏感度像素单元的驱动方法时序图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本发明一较佳实施例的一种高寄生光敏感度像素单元的3D结构示意图。如图1所示，本发明的一种高寄生光敏感度像素单元，包括设置在上层芯片10上的光电信号产生单元11和设置在下层芯片20上的信号复位保持单元21、信号输出单元22。上层芯片10、下层芯片20按照上下位置以3D堆叠方式相连接，形成3D立体结构的CMOS图像传感器高寄生光敏感度像素单元。在3D堆叠的上层芯片、下层芯片上，可设置有一至多个像素单元。

上层芯片10与下层芯片20之间可通过黏附介质层(图略)进行密合连接；并且，上层芯片10与下层芯片20的各连接节点之间可通过导电过孔(VIA)30相连接。其中，位于上层芯片的所述光电信号产生单元11与位于下层芯片的所述信号复位保持单元21之间可通过导电过孔30相连接。

通过光电信号产生单元将由上层芯片上方入射的光线隔离，可以防止光线照射到下层芯片的信号复位保持单元和信号输出单元上，从而可以最大化减小光对像素电路的影响，提高电路的寄生光敏感度。

上层芯片10上还可设置作为电路引出的PAD。

请参阅图2，图2是本发明一较佳实施例的一种高寄生光敏感度像素单元的电路结构示意图。如图2所示，设于上层芯片10上的光电信号产生单元11，用于将光信号转换成电信号。所述光电信号产生单元11设有一个光电二极管PD和一个光电开关MOS管M1。所述光电二极管用于将入射的光信号转化为电信号；光电二极管的阳极与地VSS相连，光电二极管的阴极与光电开关MOS管的源极相连。所述光电开关MOS管用于控制电信号的传输；光电开关MOS管的栅极与光电传输控制信号TX相连，光电开关MOS管的漏极作为光电信号产生单元的输出端与信号输出单元21的输入端相连。

设于下层芯片20上的信号复位保持单元21，用于储存和传输光电信号产生单元产生的电信号。所述信号复位保持单元21包括一个电容CAP，一个电容开关MOS管M2以及一个复位MOS管M3。所述电容用于通过其产生的电荷感应，传输光电信号产生单元转化的电信号；电容的第一端(靠近连接节点A点的电容极板端)作为信号复位保持单元的输入端同时与光电开关MOS管的漏极以及电容开关MOS管的源极相连，电容的第二端(靠近连接节点B点的电容极板端)作为信号复位保持单元的输出端同时与电容开关MOS管的漏极、复位MOS管的源极以及信号输出单元22的输入端相连。所述光电开关MOS管的漏极与电容的第一端之间通过分设于上层芯片和下层芯片的导电过孔30相连接。电容开关MOS管的栅极与电容开关控制信号RC相连，复位MOS管的漏极与电源VDD相连，复位MOS管的栅极与复位信号RST相连。

同样设于下层芯片20上的信号输出单元22，用于输出信号复位保持单元传输的电信号。所述信号输出单元22包括一个信号放大MOS管M4和一个信号选择MOS管M5。所述信号放大MOS管用于将其栅极接收的电信号放大输出；信号放大MOS管的栅极作为信号输出单元的输入端同时与电容的第二端、电容开关MOS管的漏极以及复位MOS管的源极相连，信号放大MOS管的漏极与电源VDD相连，信号放大MOS管的源极与信号选择MOS管的源极相连。所述信号选择MOS管用于控制像素信号的输出；信号选择MOS管的漏极与像素信号输出端P点相连，信号选择MOS管的栅极与选择信号CSEL相连。

上述光电开关MOS管M1、电容开关MOS管M2、复位MOS管M3、信号放大MOS管M4和信号选择MOS管M5各MOS管的源极和漏极互换不影响电路功能。

下面通过具体实施方式及附图，对本发明一种上述的高寄生光敏感度像素单元的驱动方法进行详细说明。

请参阅图3，图3是本发明一较佳实施例的一种高寄生光敏感度像素单元的驱动方法时序图。如图3所示，本发明的一种上述的高寄生光敏感度像素单元的驱动方法，包括以下步骤：

步骤S01：打开光电开关MOS管、电容开关MOS管和复位MOS管，关断信号放大MOS管、信号选择MOS管，光电二极管复位，电容第一端、第二端两端复位。

如图3所示，初始状态时，复位信号RST、光电传输控制信号TX、电容开关控制信号RC均为高电压，选择信号CSEL为低电压；光电开关MOS管M1、电容开关MOS管M2、复位MOS管M3导通，信号放大MOS管M4、信号选择MOS管M5关断；光电二极管PD和电容CAP复位；光电二极管PD的阴极电压、连接节点A点的电压VA和连接节点B点的电压VB均为高电压，并且满足：VA＝VB＝VDD。VDD代表电源电压。

步骤S02：关断光电开关MOS管、电容开关MOS管，光电二极管开始曝光并积累电荷，电容两端继续保持复位状态。

如图3所示，在t0时刻，光电传输控制信号TX和电容开关控制信号RC由高电压变为低电压，光电开关MOS管M1和电容开关MOS管M2均关断，光电二极管PD开始曝光，产生电荷。

步骤S03：关断电容开关MOS管和复位MOS管，打开信号选择MOS管，电容两端无电荷充放电，复位信号传输至像素信号输出端，完成对复位信号的读取。

如图3所示，在t1时刻，选择信号CSEL由低电压变为高电压，信号选择MOS管M5导通，流经连接节点B点的信号经过信号放大MOS管M4到达连接节点C点，然后到达像素信号输出端P点。此时P点电压的大小由复位信号RST的大小决定，P点的电压VP大小记为Vrst。

步骤S04：保持电容开关MOS管和复位MOS管关断，打开光电开关MOS管，光电二极管转化的电荷传输至与光电开关MOS管相连的电容第一端，电容第二端仍为复位信号。

如图3所示，在t2时刻，光电传输控制信号TX由低电压变为高电压，打开光电开关MOS管M1导通，光电二极管PD产生的电荷到达电容CAP的第一端，连接节点A点电压降低,连接节点B点、C点像素信号输出端和P点电压保持不变。

步骤S05：关断复位MOS管，打开电容开关MOS管，利用电容的电荷耦合作用，使电容的第二端通过电压感应感应出同样的电荷，最终电容的第二端电压与电容的第一端电压相等，实现光电信号的传输，并通过信号放大MOS管和信号选择MOS管传输至像素信号输出端，完成对像素光电信号的读取。

如图3所示，在t3时刻，光电传输控制信号TX由高电压变为低电压，光电开关MOS管M1关断，连接节点A点电压保持不变。

在t4时刻，复位信号RST由高电压变为低电压，复位MOS管M3关断。

在t5时刻，电容开关控制信号RC由低电压变为高电压，电容开关MOS管M2导通，连接节点B点电压下降，同时连接节点B点的电压变化经过信号输出单元到达连接节点C点，再经过信号选择MOS管M5到达像素信号输出端P点，连接节点C点电压VC和像素信号输出端电压VP也下降；经过一段时间，连接节点A点和连接节点B点电压最终相等且保持不变，此时连接节点C点和像素信号输出端P点电压也保持不变。稳定后的像素信号输出端P点电压记为Vpd。

从t0时刻到t3时刻，光电二极管PD曝光得到的信号大小记为Vsgn，则Vsgn＝Vrst-Vpd。

步骤S06：关断光电开关MOS管，电容两端信号保持不变，关断信号选择MOS管，像素信号输出端信号不变。

如图3所示，在t6时刻，电容开关控制信号RC由高电压变为低电压，电容开关MOS管M2关断。

在t7时刻，选择信号CSEL由高电压变为低电压，信号选择MOS管M5关断，像素信号输出端P点电压下降为0。

步骤S07：打开电容开关MOS管、复位MOS管和光电开关MOS管，进行下一帧复位。

如图3所示，在t8时刻，电容开关控制信号RC和复位信号RST由低电压变为高电压，电容开关MOS管M2和复位MOS管M3导通，连接节点A点电压VA和连接节点B点电压VB电压变高。

最后，在t9时刻，光电传输控制信号TX由低电压变为高电压，光电开关MOS管M1导通，即可进行下一帧的复位。

综上所述，本发明通过将像素光电信号产生单元产生的电信号存储在信号复位保持单元的电容上，使信号输出单元的信号放大MOS管栅极输入电压与光电信号产生单元通过电容隔开，以减小光电信号产生单元产生的电荷信号对放大MOS管栅极输入信号的影响。同时，通过将光电信号产生单元与信号复位保持单元、信号输出单元分别设置在上下两层芯片中，使像素单元的电路结构采用3D分布的形式，将光电信号产生单元与像素结构的输出级电路进一步隔开，以进一步降低像素结构及光照对最终输出信号的影响，从而可使得像素电路的寄生光敏感度性能更加优越。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种高寄生光敏感度像素单元，其特征在于，包括：

光电信号产生单元，设于上层芯片上，用于将光信号转换成电信号；

信号复位保持单元，设于下层芯片上，用于储存和传输光电信号产生单元产生的电信号；

信号输出单元，设于下层芯片上，用于输出信号复位保持单元传输的电信号；

其中，上层芯片与下层芯片采用3D堆叠方式相连接，通过光电信号产生单元将由上层芯片上方入射的光线隔离，以防止光线照射到下层芯片的信号复位保持单元和信号输出单元上。

2.根据权利要求1所述的高寄生光敏感度像素单元，其特征在于，所述光电信号产生单元包括一个光电二极管和一个光电开关MOS管；其中，所述光电二极管用于将入射的光信号转化为电信号，光电二极管的阳极与地相连，光电二极管的阴极与光电开关MOS管的源极相连，所述光电开关MOS管用于控制电信号的传输，光电开关MOS管的栅极与光电传输控制信号相连，光电开关MOS管的漏极作为光电信号产生单元的输出端与信号输出单元的输入端相连。

3.根据权利要求2所述的高寄生光敏感度像素单元，其特征在于，所述信号复位保持单元包括一个电容，一个电容开关MOS管，一个复位MOS管；其中，所述电容用于通过其产生的电荷感应，传输光电信号产生单元转化的电信号，电容的第一端作为信号复位保持单元的输入端同时与光电开关MOS管的漏极以及电容开关MOS管的源极相连，电容的第二端作为信号复位保持单元的输出端同时与电容开关MOS管的漏极、复位MOS管的源极以及信号输出单元的输入端相连，电容开关MOS管的栅极与电容开关控制信号相连，复位MOS管的漏极与电源相连，复位MOS管的栅极与复位信号相连。

4.根据权利要求3所述的高寄生光敏感度像素单元，其特征在于，所述信号输出单元包括一个信号放大MOS管和一个信号选择MOS管；其中，所述信号放大MOS管用于将其栅极接收的电信号放大输出，信号放大MOS管的栅极作为信号输出单元的输入端同时与电容的第二端、电容开关MOS管的漏极以及复位MOS管的源极相连，信号放大MOS管的漏极与电源相连，信号放大MOS管的源极与信号选择MOS管的源极相连，所述信号选择MOS管用于控制像素信号的输出，信号选择MOS管的漏极与像素信号输出端相连，信号选择MOS管的栅极与选择信号相连。

5.根据权利要求1所述的高寄生光敏感度像素单元，其特征在于，位于上层的所述光电信号产生单元与位于下层的所述信号复位保持单元之间通过导电过孔相连接。

6.根据权利要求4所述的高寄生光敏感度像素单元，其特征在于，所述光电开关MOS管的漏极与电容的第一端之间通过分设于上层芯片和下层芯片的导电过孔相连接。

7.一种如权利要求4所述的高寄生光敏感度像素单元的驱动方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S01：打开光电开关MOS管、电容开关MOS管和复位MOS管，关断信号放大MOS管、信号选择MOS管，光电二极管复位，电容第一端、第二端两端复位；

步骤S02：关断光电开关MOS管、电容开关MOS管，光电二极管开始曝光并积累电荷，电容两端继续保持复位状态；

步骤S03：关断电容开关MOS管和复位MOS管，打开信号选择MOS管，电容两端无电荷充放电，复位信号传输至像素信号输出端，完成对复位信号的读取；

步骤S04：保持电容开关MOS管和复位MOS管关断，打开光电开关MOS管，光电二极管转化的电荷传输至与光电开关MOS管相连的电容第一端，电容第二端仍为复位信号；

步骤S05：关断复位MOS管，打开电容开关MOS管，利用电容的电荷耦合作用，使电容的第二端通过电压感应感应出同样的电荷，最终电容的第二端电压与电容的第一端电压相等，实现光电信号的传输，并通过信号放大MOS管和信号选择MOS管传输至像素信号输出端，完成对像素光电信号的读取；

步骤S06：关断光电开关MOS管，电容两端信号保持不变，关断信号选择MOS管，像素信号输出端信号不变；

步骤S07：打开电容开关MOS管、复位MOS管和光电开关MOS管，进行下一帧复位。